Desenvolvimento de Aplicações Educacionais na
Medicina com Realidade Aumentada
W N ÊITON L UIZ G OMES1
C L ÁUDIO K IRNER2
1 Curso
ARL - DCC / UFLA - Cx Postal 3037 - CEP 37200-000 Lavras (MG)
[email protected]
2 NC/UNASP - Cx. Postal 20 - CEP 05858-001 São Paulo(SP)
[email protected]
Resumo: Este artigo discute os principais conceitos relacionados com a
Realidade Virtual e descreve o desenvolvimento de aplicações educacionais
na medicina utilizando a tecnologia de Realidade Aumentada com uso da
biblioteca gráfica ARToolKit.
Palavras-Chave: Realidade Aumentada, ARToolKit
1
Introdução
A Realidade Virtual vem revolucionando a área de educação com suas caracterı́sticas
que permitem ao usuário vivenciar situações, através de navegação e interação em mundos virtuais (VINCE, 1995; GOMES; KIRNER, 2003). Dentro desse contexto, Realidade
Aumentada pode ser definida como uma combinação do ambiente real com o ambiente
virtual. Este tipo de sistema é obtido com a junção da Realidade Virtual e com cenas
do mundo real, geralmente estas cenas são captadas por uma câmera de vı́deo. Pode-se
entender Realidade Aumentada ou realidade realçada como uma combinação em tempo
real de uma cena real e uma cena virtual. Com isso, tem-se um aumento na percepção
humana através da adição de informação que não são detectadas pelos sentidos naturais
(GROHS; MAESTRI, 2002).
Hoje em dia um dos problemas na área de educação é manter a motivação dos alunos
no aprendizado de um determinado conteúdo. Muitas vezes, falta interesse até mesmo dos
tutores por falta de recursos e métodos para auxiliar na formação do educando. Em muitos
casos, as complexidades impostas por uma tarefa estão muito além dos recursos naturais
que seus sentidos podem oferecer, com isso, instituições e educadores não conseguem
manter-se motivados. O ensino e treinamento na área médica têm essa caracterı́stica, em
função da complexidade do corpo humano.
A Realidade Aumentada em seu estado da arte pode beneficiar muito as atividades
humanas com o aumento da percepção, interação do mundo real com o mundo virtual
e conseqüentemente na produtividade no dia a dia. No sentido de explorar as potencialidades da Realidade Aumentada, no estudo da anatomia, desenvolveu-se um projeto
de aplicações de caráter educacional, que visa desenvolver aplicações educacionais com
Realidade Aumentada, para facilitar o ensino e aprendizado de anatomia humana.
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Gomes & Kirner – Desenvolvimento de Aplicações (...) com Realidade Aumentada
O artigo encontra-se estruturado como se segue: as seções 2 e 3 descrevem o projeto
e o ambiente utilizado, bem como seu processo de implementação; a seção 4 mostra
algumas aplicações realizadas com o software ARToolKit; por fim, os resultados obtidos
são apresentados na seção 5.
2
Ambiente do Projeto - ARToolKit
O ambiente de desenvolvimento deste projeto é composto por objetos virtuais feitos em
VRML e um software de visão computacional chamado ARToolKit1 . O ARToolKit, é um
software livre para aplicação em realidade aumentada. Detalhes e usos do ARToolKit podem ser verificados em (BILLINGHURST; KATO; POUPYREV, 2001), (KATO et al., 2000),
(SINCLAIR; MARTINEZ, 2002) e (SINCLAIR, 2004) .
Para o funcionamento desse software, utiliza-se uma placa contendo um marcador
e uma câmera digital devidamente calibrada. A câmera é responsável pela captura da
imagem binária, que é associada com um objeto virtual pré-cadastrado, onde esse mesmo
objeto é posicionado em cima do marcador, fazendo a interação do real com o virtual.
Com o uso de óculos ou capacete de Realidade Virtual, pode-se visualizar objetos virtuais
junto ao mundo real, de maneira altamente realista, incrementado a percepção do usuário
no uso de uma interface de computador.
2.1
Processo de Instalação do ARToolKit
Neste projeto, ARToolKit foi compilado e testado utilizando o sistema operacional Linux,
a distribuição utilizada foi o Debian versão 3.1 com o kernel 2.6.8 e ambiente KDE 3.3.
Por fim, o dispositivo de captura utilizado foi uma placa de TV bt848. A versão do
ARToolKit para o sistema operacional Linux utilizada foi a versão 2.61. O software é
disponibilizado em formato tar.gz. Uma vez que a cópia do arquivo esteja no diretório
no qual se deseja que o ARToolKit seja instalado, deve-se descomprimi-lo e instalá-lo,
conforme mostrado nos quatro passos a seguir:
tar zxvf ARToolKit2.61.tar.gz
cd ARToolKit2.61
./Configure
make
A Figura 1 mostra a estrutura de diretório do ARToolKit, que deverá ser criado assim
que for feito a descompactação. O exemplo demonstra os principais diretórios, sendo eles
o bin, include, lib e examples. O diretório bin é composto pelos programas prontos
para execução. O código desses programas são encontrados no diretório examples. As
bibliotecas do ARToolKit ficam no diretório lib e o código fonte dessas bibliotecas ficam
no diretório lib/src.
Os programas exemplos incluı́dos no ARToolKit utilizam a biblioteca GLUT2 com a
interface OpenGL3 . A biblioteca gráfica OpenGL permite a criação de modelos gráficos
1 ARToolKit:
http://www.hitl.washington.edu/projects/artoolkit/.
http://www.opengl.org/resources/libraries/glut.html.
3 OpenGL: http://www.opengl.org/.
2 GLUT:
Bazar: Software e Conhecimento Livres, Jul. 2006, N. 1, 13- 20
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Figura 1: Estrutura de Diretórios do ARToolKit
e pode ser usada em sistemas Unix que tenham o ambiente X Window System. Com isso
se faz necessário a instalação da biblioteca GLX (OpenGL Extension to the X Window
System). A GLUT (OpenGL Utility Toolkit) é uma biblioteca de suporte ao OpenGL,
independente de plataforma, que oferece uma API(Application Programming Interface),
com menus, botões e suporte a joystick. Apesar de não ser um aplicativo de código aberto,
a GLUT pode ser utilizada livremente.
Depois de instalado o ARToolKit e seus requisitos, existe um programa no diretório
bin chamado simpleTest2, exclusivo para testar o funcionamento do software. Para
testar os mundos virtuais em VRML, foi necessário instalar o ambiente FreeWRL4 . Para
testar o programa foi preciso imprimir os marcadores que ficam no diretório patterns.
Estes marcadores devem ser colados de preferência em uma superfı́cie rı́gida. Os arquivos com os exemplos são: pattSample1.pdf, pattSample2.pdf, pattKanji.pdf e
pattHiro.pdf.
2.2
Alterações no ARToolKit
Foram feitas algumas alterações para se adequar às aplicações, por exemplo, a inserção
de som de batimento no coração virtual. Assim como foi feito a adição de som no código
do coração virtual em formato VRML, também foi necessário inserir um módulo de som
no software ARToolKit, isso só foi possı́vel devido o ARToolKit ser software livre.
Com as alterações realizadas, foi possı́vel executar o arquivo de áudio juntamente
com o aparecimento do objeto virtual. A inserção do som trouxe mais realismo na
demonstração do coração virtual batendo. O código apresentado na Figura 2 mostra o
4 FreeWRL:
http://freewrl.sourceforge.net/.
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Gomes & Kirner – Desenvolvimento de Aplicações (...) com Realidade Aumentada
módulo de som. Ainda em fase de implementação está a eliminação da imagem real, isso
significa, tornar apenas o objeto virtual visı́vel, eliminando a imagem do marcador.
void som(void) {
PlaySound ("som.wav",NULL,SND_SYNC);
ret=0
pthread_cancel(hThread);
pthread_exit(NULL);
}
Figura 2: Modulo de som (SANTIN; KIRNER, 2004)
Depois de realizada a inserção das alterações de som no código do ARToolKit, foi
necessário compilar novamente para obter o resultado desejado. Para compilar o fonte
simpleTest2 foi necessário apenas executar o programa make no diretório simple2.
3
Aplicações Realizadas
Para todos os órgãos virtuais, foram elaborados alguns marcadores, onde de um lado foi
colocado o nome do corpo e de outro o desenho do padrão. Na Figura 3 são apresentados
exemplos de alguns marcadores que foram criados.
Figura 3: Exemplo de novos padrões de marcadores
Depois de criado os padrões, eles foram pré-cadastrados no ARToolKit. Para testar
as aplicações, foram cadastrados vários padrões, um para cada corpo virtual. Além de
poder manipular e visualizar os corpos tridimensionais com as mãos sem a necessidade
de mouse, com as alterações realizadas, no caso do coração, foi possı́vel também ouvir o
som dos batimentos, tornando assim o aprendizado ainda melhor.
Foram utilizados vários marcadores, para um único corpo virtual. Por exemplo, em um
marcador foi associado um coração virtual com batimentos acelerados simulando assim,
uma taquicardia. Em outro marcador, o processo de diástole e sı́stole aparecem com
batimentos normais.
O coração virtual foi capturado do laboratório de interfaces humanas em (YOSHIOKA,
2001), no entanto foi necessário fazer algumas mudanças no código. Dentre as mudanças
Bazar: Software e Conhecimento Livres, Jul. 2006, N. 1, 13- 20
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realizadas, foi feito o ajuste de transparência e adição de som no código do coração virtual.
O código apresentado Figura 4 mostra as alterações feitas no arquivo do coração.
Sound {
source AudioClip {
url "heart_normal.wav"
pitch 1.000
loop
TRUE
}
intensity 1.000
priority
0.000
minBack
10.000
minFront
10.000
maxBack
500.000
maxFront
500.000
}
Figura 4: Código do som em VRML
Com as alterações realizadas foi possı́vel visualizar e manipular o coração, com aspectos diferenciados tornando o aprendizado mais dinâmico e realista. A Figura 5 mostra
o coração virtual em cima do padrão cadastrado.
Figura 5: Coração virtual
As figuras 6, 7, 8 e 9 mostram uma seqüência de corpos virtuais que foram testados no ARToolKit. Os outros órgãos cadastrados no ARToolKit foram cérebro, pulmão,
estômago e úmero.
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Gomes & Kirner – Desenvolvimento de Aplicações (...) com Realidade Aumentada
Figura 6: Cérebro virtual em cima de um marcador
Figura 7: Pulmão virtual
Figura 8: Estômago virtual
Bazar: Software e Conhecimento Livres, Jul. 2006, N. 1, 13- 20
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Figura 9: Úmero virtual
4
Conclusão
A Realidade Aumentada tem contribuı́do muito em diversas áreas do conhecimento, com
diversos tipos de aplicações, sendo que uma das mais beneficiadas é a Educação. A
Realidade Aumentada aproxima ainda mais o virtual do real. O real e o virtual nunca
estiveram tão ligados como hoje, essa tecnologia contribuiu muito para isso; cada vez
mais, a máquina passa a fazer parte da vida das pessoas.
Com a implementação desse trabalho, foi notado a atração dos alunos pelo conteúdo
exposto, aumentando o interesse e facilitando conseqüentemente o aprendizado. Também
foi visto que o Linux pode ser usado em aplicações gráficas e não apenas em serviços
de redes ou apenas estações de trabalho como ele é visto pela maioria dos usuários deste
sistema.
Com o uso do sistema operacional Linux e o ARToolKit, foi possı́vel ter um sistema
totalmente gratuito, o que pode facilitar ainda mais o acesso do público a tecnologias
emergentes como a Realidade Aumentada. A ferramenta ARToolKit permite fazer várias
aplicações, no entanto, são necessários alguns ajustes para o correto funcionamento das
aplicações. Com isso, está em andamento o estudo do código da ferramenta, em busca
de mais aprimoramento com a finalidade de trazer mais realidade para a apresentação dos
corpos tridimensionais virtuais.
Referências
BILLINGHURST, M.; KATO, H.; POUPYREV, I. The MagicBook: a transitional
AR interface. Computers and Graphics, p. 745–753, November 2001. Disponı́vel em:
<http://www.hitl.washington.edu/projects/artoolkit/publications.htm>.
GOMES, L. W.; KIRNER, C. Realidade virtual no estudo da astronomia. In: Anais Of VI
Simposium on Virtual Reality. Ribeirão Preto: [s.n.], 2003.
GROHS, E. M.; MAESTRI, P. R. B. Realidade Aumentada para Informações
Geográficas. Monografia (Bacharelado em Ciência da Computação) — Faculdade de
informática, Pontifı́cia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2002.
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Gomes & Kirner – Desenvolvimento de Aplicações (...) com Realidade Aumentada
KATO, H.; BILLINGHURST, M.; POUPYREV, I.; IMAMOTO, K.; TACHIBANA,
K. Virtual object manipulation on a table-top AR environment. In: Proceedings of the
International Symposium on Augmented Reality (ISAR 2000). Munich, Germany: [s.n.],
2000. Disponı́vel em: <http://www.hitl.washington.edu/projects/artoolkit/publications.htm>.
SANTIN, R.; KIRNER, C. Desenvolvimento de técnicas de interação para
aplicações de realidade aumentada com o ARToolKit. In: KIRNER, C.; JUNIOR,
N. C. (Ed.). Anais do WRA’2004 - I Workshop sobre Realidade Aumentada.
Piracicaba: UNIMEP - Universidade Metodista de Piracicaba, 2004. Disponı́vel em:
<http://www.unimep.br/fcmnti/msi/wra2004>.
SINCLAIR, P. A. S. Integrating Hypermedia Techniques with Augmented Reality
Environments. Tese (Doutorado) — Faculty of Engineering and Applied Science
/ Department of Electronics and Computer Science, June 2004. Disponı́vel em:
<http://www.ecs.soton.ac.uk/˜pass99r/research/>.
SINCLAIR, P. A. S.; MARTINEZ, K. Tangible hypermedia using the artoolkit. In:
Proceedings of the First IEEE International Augmented Reality Toolkit Workshop.
Darmstadt, Germany: IEEE, 2002. Disponı́vel em: <http://www.ecs.soton.ac.uk/˜pass99r/research/>.
VINCE, J. Virtual Reality Systems. Reading: Addison-Wesley, 1995.
YOSHIOKA, M. School of Health Sciences. Japan: University of Occupational and
Environmental Health, 2001. WWW. Acesso em: 12 de agosto de 2004. Disponı́vel em:
<http://dex.med.uoeh-u.ac.jp/Web3D/WRL>.